Kotlin Primer·第七章·协程库（上篇）



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第一部分——快速上手
第一章·启程
第二章·基本语法
第三章·Kotlin 与 Java 混编
第二部分——开始学习 Kotlin
第四章·Kotlin 的类特性(上)
第四章·Kotlin 的类特性(下)
第五章·函数与闭包
第六章·集合泛型与操作符
第三部分——Kotlin 工具库
第七章·协程库(上篇)
第七章·协程库(中篇)

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7.协程

协程，协作代码段。相对线程而言，协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件。协程提供了一种可以避免线程阻塞的能力，这是他的核心功能。在 kotlin 中使用协程，需要在 gradle 中引入协程库：

//Android 工程使用
implementation "org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-android:x.x.x"  
//Java 工程使用
implementation 'org.jetbrains.kotlinx:kotlinx-coroutines-core:x.x.x'

7.1 协程是什么

协程的概念其实是很早就被提出的。
这里借用知乎作者阿猫的一段回答（有所修改）来为大家讲解协程究竟是怎么来的：

  1. 一开始大家想要同一时间执行多个代码任务，于是就有了并发。从程序员的角度可以看成是多个独立的逻辑流，内部可以是多 CPU 并行，也可以是单 CPU 时间分片。
  2. 但是一并发就有上下文切换的问题，干了一半跑去处理另一件事，我这做了一半的东西怎么保存。进程就是这样抽象出来个一个概念，搭配虚拟内存、进程表之类，用来管理独立的程序运行、切换。
  3. 后来硬件提升了，一电脑上有了好几个 CPU 就可以一人跑一进程，就是所谓的并行。
  4. 但是一并行，进程数一高，大部分系统资源就得用于进程切换的状态保存。后来搞出线程的概念，大致意思就是这个地方阻塞了，但我还有其他地方的逻辑流可以计算，不用特别麻烦的切换页表、刷新 TLB，只要把寄存器刷新一遍就行。
  5. 如果你嫌操作系统调度线程有不确定性，不知道什么时候开始什么时候切走，我自己在进程里面手写代码去管理逻辑调度这就是用户态线程。
  6. 而用户态线程是不可剥夺的，如果一个用户态线程发生了阻塞，就会造成整个进程阻塞，所以进程需要自己拥有调度线程的能力。而如果用户态线程将控制权交给进程，让进程调度自己，这就是协程。

后来我们的内存越来越大，操作系统的调度也越来越智能，就慢慢没人再去花时间去自己实现用户态线程、协程这些东西了。

7.2 为什么又要用协程了

那既然上面说协程已经淘汰在历史的长河中了，为什么现在又跑来这么声势浩大。
这就要从多线程的效率讲起了。
前面我们讲由于操作系统的多线程调度越来越智能，硬件设备也越来越好，这大幅提升了线程的效率，因此正常情况下线程的效率是高于协程的，而且是远高于协程。
那么线程在什么情况下效率是最高的？就是在一直 run 的情况下。但是线程几乎是很难一直 run 的，比如：线程上下文切换、复杂计算阻塞、IO阻塞。
于是又有人想起了协程，这个可以交给代码调度的东西。

7.3 协程的本质作用

协程实际上就是极大程度的复用线程，通过让线程满载运行，达到最大程度的利用CPU，进而提升应用性能。
什么意思呢？
具体一个例子来说：在android上发起一个网络请求。

第1步，主线程创建一个网络请求的任务。
第2步，通过一个子线程去请求服务端响应。
第2.1步，等待网络传递请求，其中可能包括了TCP/IP的一系列过程。
第2.2步，等待服务器处理，比如你请求一个列表数据，服务器逻辑执行依次去缓存、数据库、默认数据找到应该返回给你的数据，再将数据回传给你。
第2.3步，又是一系列的数据回传。
第3步，在子线程中获取到服务器返回的数据。将数据转换成想要的格式。
第4步，在主线程中执行某个回调方法。

在上面这个例子中，第2步通常我们会用一个线程池去存放一批创建好的线程做复用，防止多次创建线程。
但是使用了线程池，就会遇到一个问题。池中预存多少线程才最适合？存少了，后面的任务需要等待有空余的线程才能开始执行；存多了，闲置的线程浪费内存。这个问题实际上还是线程利用率不高的问题。
还是回到示例中，在第2步至2.3步中，此刻线程其实是处于阻塞状态不做事的，这就是线程利用率不高的原因。
这个例子换做协程是这么个流程：

第1步，主线程创建一个协程，在协程中创建网络请求的任务。
第2步，为协程分配一个执行的线程(本例中肯定是子线程)，在线程中去请求服务端响应。
第2.1步，（接下来会发生阻塞），挂起子线程中的这个协程，等待网络传递请求，其中可能包括了TCP/IP的一系列过程。
第2.2步，协程依旧处于挂起状态，等待服务器处理，比如你请求一个列表数据，服务器逻辑执行依次去缓存、数据库、默认数据找到应该返回给你的数据，再将数据回传给你。
第2.3步，协程依旧处于挂起状态，又是一系列的数据回传。
第3步，获取到服务器返回的数据，在子线程中恢复挂起的协程。将数据转换成想要的格式。
第4步，在主线程中执行某个回调方法。

在上面这个例子中，整个步骤并没有发生任何改变，但是因为引入了协程挂起的概念。当线程中的协程发生了挂起，线程依旧是可以继续做事的，比如开始执行第二个协程，而协程的挂起是一个很轻的操作（其内在的只是一次状态机的变更，就是一个switch语句的分支执行，详细内容可以看我的下一篇文章：【Kotlin Primer·第七章·协程库（中篇）】）。这就大大的提升了多任务并发的效率，同时极大的提升了线程的利用率。
这就是协程的本质——极大程度的复用线程，通过让线程满载运行，达到最大程度的利用CPU，进而提升应用性能。

7.4 kotlin 的协程怎么用

在 kotlin 上，使用协程你只需要知道两个方法和他们的返回类型，就可以很熟练的用上协程了。分别是：

fun launch(): Job
fun async(): Deferred

7.4.1 launch方法

从方法名我们就能看出，launch表示启动一个协程。

public fun launch(
    context: CoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job {
}

launch()方法接收三个参数，通常很少用到第二个参数。
第一个参数是一个协程的上下文，CoroutineContext不仅可以用于在协程跳转的时刻传递数据，同时最主要的功能，是用于表明协程运行与恢复时的上下文环境。
通常Android在用的时候都是传一个UI就表示在 UI 线程启动协程，或者传一个CommonPool表示在异步启动协程，还有一个是Unconfined表示不指定，在哪个线程调用就在哪个线程恢复。

fun test() {
    launch(UI) {
        val isUIThread = Thread.currentThread() == Looper.getMainLooper().thread
        println("UI::===$isUIThread")
    }
    launch(CommonPool) {
        val isUIThread = Thread.currentThread() == Looper.getMainLooper().thread
        println("CommonPool::===$isUIThread")
    }
}

例如这段代码就会输出一个

UI::===true
CommonPool::===false

7.4.2 Job对象

launch()方法会返回一个job对象，job对象常用的方法有三个，叫start、join和cancel。分别对应了协程的启动、切换至当前协程、取消。

例如下面是start()方法的使用示例：

fun test() {
	//当启动类型设置成LAZY时，协程不会立即启动，而是手动调用start()后他才会启动。
    val job = launch(UI, CoroutineStart.LAZY) {
        println("hello")
    }
	job.start()
}

join()方法就比较特殊，他是一个suspend方法。suspend 修饰的方法(或闭包)只能调用被suspend修饰过的方法(或闭包)。 方法声明如下：

public suspend fun join()

因此，join()方法只能在协程体内部使用，跟他的功能：切换至当前协程所吻合。

fun test() {
    val job1 = launch(UI, CoroutineStart.LAZY) {
        println("hello1")
    }
    val job2 = launch(UI) {
        println("hello2")
        job1.join()
        println("hello3")
    }
}

这段代码执行后将会输出

hello2
hello1
hello3

7.4.3 async()方法

async()方法也是创建一个协程并启动，甚至连方法的声明都跟launch()方法一模一样。
不同的是，async()方法的返回值，返回的是一个Deferred对象。这个接口是Job接口的子类。
因此上文介绍的所有方法，都可以用于Deferred的对象。

Deferred最大的用处在于他特有的一个方法await()：

public suspend fun await(): T

await()可以返回当前协程的执行结果，也就是你可以这样写代码：

fun test() {
    val deferred1 = async(CommonPool) {
        "hello1"
    }
    val deferred2 = async(UI) {
        println("hello2")
        println(deferred1.await())
    }
}

你发现神奇的地方了吗，我让一个工作在主线程的协程，获取到了一个异步协程的返回值。
这意味着，我们以后网络请求、图片加载、数据库、文件操作什么的，都可以丢到一个异步的协程中去，然后在同步代码中直接取返回值，而不再需要去写回调了。
这就是我们经常使用的一个最大特性。

7.5 kotlin 协程使用示例

最后用一个稍微复杂一点的例子，来讲 kotlin 协程的使用

fun test() {
    //每秒输出两个数字
    val job1 = launch(Unconfined, CoroutineStart.LAZY) {
        var count = 0
        while (true) {
            count++
            //delay()表示将这个协程挂起500ms
            delay(500)
            println("count::$count")
        }
    }
    
    //job2会立刻启动
    val job2 = async(CommonPool) {
        job1.start()
        "ZhangTao"
    }

    launch(UI) {
        delay(3000)
        job1.cancel()
        //await()的规则是：如果此刻job2已经执行完则立刻返回结果，否则等待job2执行
        println(job2.await())
    }
}

最终输出了6次，job1 就被 cancel 了

count::1
count::2
count::3
count::4
count::5
count::6
ZhangTao